关于机场飞行区运行模式的研究
1绪论
改革开放以来，随着国民经济的快速发展，我国航空运输业以平均每年近15%的速度迅猛增长。据国际民航组织统计，2005年我国航空公司定期航班完成的总周转量为257.765亿吨公里，比2004年增长了12%，世界排名由2004年第3位上升至第2位，超过了航空强国德国（254.57亿），成为仅次于美国的世界第二航空运输大国。2005年，全行业共有运输飞机863架，比2000年净增336架，全国通航机场共保障飞机起降架次为305.7万架次，2004年增长14.7％。根据预测，今后5年内我国民航将以每年100～150架的速度引进飞机，到2010年，全国民航运输飞机总量将接近1600架。从“十一五”开始，中国民航将启动建设新一代工程，并将实现2010年航空运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量均比2005年翻一番，航空运输和机场建设均面临着良好的发展前景。
这对国内一些主要机场的发展既是难得的机遇，也是严峻的挑战。这些机场的飞行流量持续大幅增长。2005年上海浦东机场实现飞机起降20.51万架次，旅客吞吐量2354.18万人次，货邮吞吐量185.67万吨，与2004年相比分别增长了14.8％、12.6％、18.1％。航空运输量的快速增长导致空中交通网络负荷加大，引起交通拥挤，结果不仅给管制员带来繁重的工作负荷，形成事故隐患，还有航班延误，给航空公司造成巨大损失，给旅客带来诸多不便，同时也给航班时刻的编排带来极大困难。为了缓解这些问题，更好地维护空中秩序、保证飞行安全、提高飞行效率、改善服务质量，以适应未来航空运输需求，迫切需要对我国主要机场当前的和未来的运行状况进行分析评估，并寻求提高空中交通系统运行效率，扩充系统容量的可行方案。
1机场系统介绍
机场系统是由许多子系统组成的复杂系统，如图1所示。按照功能不同，可分为飞行区、航站区和进出机场的地面交通系统。其中，飞行区主要是飞机的活动区，其范围包括跑道系统、滑行道系统、机坪门位系统和航站空域；航站区包括了航站楼、机场内部道路交通系统以及停车场等；进出机场地面交通系统是联
系机场与外界的通道。
图2-1机场交通系统组成示意
（1）飞行区有跑道、滑行道和机场净空区构成。跑道是机场规模的重要标志，它直接与飞机起降安全有关。滑行道是提供飞机从跑道到航站区的通道，使已着落的飞机迅速离开跑道，避免干扰其它起飞、降落、滑跑的飞机。飞机在机场降落或起飞时，必须按照规定的起落航线飞行，飞机的起降安全与机场内外的地形和人工建筑物密切相关。因此，对沿着起落航线附近的一定空域，不应有影响飞机爬升、降落下滑和目视盘旋的障碍物，这个空域就是机场净空区。
（2）航站区使飞行区与机场其它部分的结合部分。航站区包括：旅客航站楼、停机坪、停车场等。航站楼的一侧与停机坪相连，另一侧与地面交通系统相连。航站楼是旅客、行李和货邮办理各种手续·进行必要的检查·为改变运输方式而提供建筑设施。航站楼设施布局的方式通常将旅客分为离港旅客·到港旅客·中转旅客和经停旅客；同时又将旅客划分为国际旅客和国内旅客。航站楼将空港分为空侧和路侧：空侧包括停机坪、飞行区等受机场当局严格控制的区域；路侧是公众能够自由出入·为航空运输提供服务的场所。
（3）进出机场的地面交通设施是连接到机场的道路、交通轨道或水运码头，它是客货出入机场的地面通道。
由于航空运输的延误·冲突等问题与机场飞行区的运行模式有很大的关系，本文针对机场飞行区的运行模式进行研究。
4. 飞行区运行分析的发展概况
由图1所示，机场飞行区分为机场地面和终端区两部分。目前，针对这两部分的研究，国内外大多数都采用相互独立的方法，分别对机场地面运行和终端区运行进行分析。
由于最初主要影响航空运输运行和容量的因素是跑道，因此针对地面运行的研究开始的相对较早。1948年，Bowen 和Pearcelf 最早提出假定飞机服从泊松分布的到达流模型；1959年，Blumstein 对跑道的运行与容量问题作了进一步的研究，分析了跑道的降落容量与空管间隔、下滑道长度以及飞机速度之间的关系； 1977年，K.Schmidt 将跑道当作服务台，用稳态排队论的方法对其进行分析； 1999年，南京航空航天大学的胡明华教授等人研究了单跑道机场容量评估；2002年，Amedeo R.Odoni详细介绍了机场容量的定义、影响因素、飞行间隔要求和单跑道容量评估模型；2003年蒋兵建立了到达和离场容量估计模型；2005年傅建军等人从理论上探讨了机场跑道、滑行道和停机位容量的分析与评估模型；2006年中国民航大学的徐肖豪教授等人研究了基于飞机性能的跑道运行仿真。
相对地面运行的研究而言，国内外对于终端区的研究开始的比较晚，所做的工作较少。1991年，Milan Janic 等人对终端区容量估计问题做了初步研究，对空域结构做了很大程度的抽象和简化，建立了终端区容量估计模型，但这种方法很难建立一个能够精确描述管制区域的数学模型； 2001年Saleh A.Mumayiz 提出了机场空域容量评估的仿真模型，在考虑各种限制的情况下对空域运行进行仿真，再对结果进行分析统计得到容量结果；1999年，胡明华教授和张志龙、杜骏等人对终端区容量模型进行了研究，讨论了影响终端区容量的诸因素，建立了航路诸单元的容量估计模型，并先后用网络流理论和仿真的方法分析了终端区运行容量。
1．2机场飞行区运行分析研究的意义
随着航空运输规模的增长，航空器的数量迅速增加，机场系统越来越复杂。机场的规模性和复杂性使机场规划设计与运营管理等难度增加，机场系统规划与设计人员无法确切把握机场系统的运行规律和交通特性，因而无法根据预测的航空需求情况做出合理的规划设计，也无法根据不断变化的条件及时调整运营方式和策略；机场系统内部构造错杂复杂，人流、物流、飞机流交错，相互制约影响，需要诊断机场运行瓶颈时，传统的方法难以胜任；新建或扩建机场，制定的设计方案是否符合设计要求，需要经过程序复杂而缜密的科学论证，动用的人、财、物资源巨大，而且论证过程和结果不直观，效果不理想。
因此，对机场飞行区进行分析建模，实现运行仿真，不仅能很好地解决传统方法面临的难题，而且具有更广阔的应用范围，能达到更高的精度，对提高机场设计和管理水平，优化空域结构和扇区设置，改进进离场飞行程序设计，以及降低成本和风险，都具有重要意义。
2.2飞行区运行的影响因素
影响机场飞行区运行的因素比较复杂，既包括机场终端区的影响因素，又包括机场地面的影响因素，同时还包括机场终端区与地面交通在运行上的耦合问题；既包括地面和空域资源的影响因素，又包括交通流向的影响因素，还包括管制间隔的影响因素；既包括静态影响因素，又包括动态影响因素。静态影响因素是指由机场飞行区本身的结构所决定的一些因素，主要有：
1、跑道的条数及布局；
2、脱离道的种类、位置和条数，指是否快速脱离道；
3、滑行道的布局、运行方式及限制，指是单一滑行道还是多重滑行道，是单向运行、双向运行或临时关闭，各滑行段是否对所有机型开放；
4、停机位/登机门的布局、数量和限制。停机位的个数、与滑行道的关系、可以停放的机型种类都将直接影响到飞行区的吞吐量；
5、危险区、限制区、禁区的分布情况；
6、军用空域的分布及其使用情况；
7、地形及障碍物分布情况；
8、通讯、导航、监视设施的种类和分布。
动态因素主要有：
1、飞行所需达到的安全目标等级；
2、管制服务方式（雷达管制、雷达监控下的程序管制、程序管制）；
3、有关最小间隔规定，包括落地飞机之间、起飞飞机之间、起飞/落地飞机之间的间隔规定；
4、管制员能力；
5、飞行规则（目视飞行规则、仪表飞行规则、目视/仪表飞行规则）；
6、飞机使用的进离场程序；
7、起降飞机的比例；
8、飞机机型比例，按起降的航空器的尾流分类，通常划分为重、中、轻；
9、跑道使用策略，对双平行跑道，有隔离运行，半混合运行，混合运行；
10、影响机场最低运行标准的气象条件，包括能见度、风向风速等。
2.1飞行区运行概况
1. 航空器在飞行区运行描述
在飞行区系统中，飞机由航路空域进入终端区，经过进场航线向机场进近，在跑道着陆，经出口滑行道、滑行道系统滑行至停机坪，下客卸货完毕，完成飞机的进港过程；而飞机的离港过程则是从在停机坪上客装货开始，通过滑行道系统滑行至起飞等待位置，对准跑道起飞，经终端区沿离场航线飞行进入航路空域。其中，等待起飞机坪设置在跑道端部或非常接近跑道端部的地方，用于试车或预热，供活塞式飞机在起飞前做最后的检查，以及供所有各类型的飞机起飞排序，
等待放行。而等候机位机坪是设置在机场上一个方便地点的一种相对较小的机坪，作为临时停放飞机之用。这是为了适应这种情况：当机场门位数目不足以满足一天中繁忙时段的需求时，由空中交通管制部门指挥飞机先到等候机位机坪，在那里等候直至有了可用的门位。如果容量与需求相称，一般就用不到等候机位机坪。
2.3飞行区运行的建模
通过分析飞行区系统的组成，以及飞机在该系统中的运行特点，本文采用网络模型来描述机场飞行区系统的组成，即用一系列节点和链路来表示飞行区系统，并在此基础上建立飞行区系统的排队网络模型。在节点检查飞机与其它飞机的相对位置，而链路则用来规定飞机在两节点间的飞行航迹。其中，飞行区网络又分成机场地面网络和终端区网络。在机场地面网络中，节点代表滑行道交叉点、跑道出口、停机位、起飞等待区、机位等候区、除冰区等，而链路则描述了滑行道、跑道、脱离道等；空域网络中的节点代表导航台、报告点、地理位置点、管制区边界点等，而链路对应着空中航段，这些航段的有序组合即表示了进离场航线。另外，终端区网络中有一类特殊节点耦合点，是飞机在终端区网络和地面网络运行的过渡点，通过在耦合点控制相关起降程序间的锁定/解锁关系，来实现空地间的耦合。
2.3.1飞机在机场地面网络中的运动
在机场地面网络中，飞机的基本运动包括：在两个节点间的滑行段上以滑行速度运动和在滑行段上节点附近等待。但是，表示起飞等待队列和机坪门位的节点处的等待发生在节点上。
飞机在机场地面网络的运动规则是：
1、飞机必须沿链路运动；
2、所有飞机应当与链路上的前机之间保持滑行间隔；
3、飞机要以滑行速度滑行。
对于离场航班，在机场地面网络的运动流程如图2-3所示：
飞机运动流程
图2-3离场航班在机场地面网络的运动
图中，中间所示为飞机运动流程，左侧所示为飞机运动过程中的一些事件处理模块。离场航班在进入仿真系统的这一时刻，按照选择的机位并经过机位冲突探测与解脱，出现在选定的机位，经过机位占用时间，便可以从机位推出；接着航班沿着选定的滑行路径开始滑行，到达每个节点就进行滑行冲突探测与解脱处理，直至到达起飞等待队列；经过跑道使用冲突探测与解脱处理后，进入并对准跑道准备起飞按照计算的起飞时间、距离和速度在跑道链路上进行起飞滑跑，并加入空地耦合点。航班在有序链路上的运动即构成了飞机在机坪门位系统、滑行道系统和跑道系统的运动。
对于进场航班，在机场地面网络的运动流程如图2-4所示：
图2-4进场航班在机场地面网络的运动
由于着陆优先，所以进场航班到达空地耦合点时，已不再需要考虑跑道使用冲突。进场航班按照着陆过程相关计算在跑道上进行着陆滑跑，同时根据跑道出口选择方法确定跑道出口。由跑道出口和选择的机位来确定滑行路径，并沿着确定的滑行路径不断执行冲突探测与解脱，最后经过机位使用冲突探测与解脱到达目的机位（如果没有可用机位，飞机需要先滑行到等候机位机坪上）。
关于机场飞行区运行模式的研究
1绪论
改革开放以来，随着国民经济的快速发展，我国航空运输业以平均每年近15%的速度迅猛增长。据国际民航组织统计，2005年我国航空公司定期航班完成的总周转量为257.765亿吨公里，比2004年增长了12%，世界排名由2004年第3位上升至第2位，超过了航空强国德国（254.57亿），成为仅次于美国的世界第二航空运输大国。2005年，全行业共有运输飞机863架，比2000年净增336架，全国通航机场共保障飞机起降架次为305.7万架次，2004年增长14.7％。根据预测，今后5年内我国民航将以每年100～150架的速度引进飞机，到2010年，全国民航运输飞机总量将接近1600架。从“十一五”开始，中国民航将启动建设新一代工程，并将实现2010年航空运输总周转量、旅客运输量和货邮运输量均比2005年翻一番，航空运输和机场建设均面临着良好的发展前景。
这对国内一些主要机场的发展既是难得的机遇，也是严峻的挑战。这些机场的飞行流量持续大幅增长。2005年上海浦东机场实现飞机起降20.51万架次，旅客吞吐量2354.18万人次，货邮吞吐量185.67万吨，与2004年相比分别增长了14.8％、12.6％、18.1％。航空运输量的快速增长导致空中交通网络负荷加大，引起交通拥挤，结果不仅给管制员带来繁重的工作负荷，形成事故隐患，还有航班延误，给航空公司造成巨大损失，给旅客带来诸多不便，同时也给航班时刻的编排带来极大困难。为了缓解这些问题，更好地维护空中秩序、保证飞行安全、提高飞行效率、改善服务质量，以适应未来航空运输需求，迫切需要对我国主要机场当前的和未来的运行状况进行分析评估，并寻求提高空中交通系统运行效率，扩充系统容量的可行方案。
1机场系统介绍
机场系统是由许多子系统组成的复杂系统，如图1所示。按照功能不同，可分为飞行区、航站区和进出机场的地面交通系统。其中，飞行区主要是飞机的活动区，其范围包括跑道系统、滑行道系统、机坪门位系统和航站空域；航站区包括了航站楼、机场内部道路交通系统以及停车场等；进出机场地面交通系统是联
系机场与外界的通道。
图2-1机场交通系统组成示意
（1）飞行区有跑道、滑行道和机场净空区构成。跑道是机场规模的重要标志，它直接与飞机起降安全有关。滑行道是提供飞机从跑道到航站区的通道，使已着落的飞机迅速离开跑道，避免干扰其它起飞、降落、滑跑的飞机。飞机在机场降落或起飞时，必须按照规定的起落航线飞行，飞机的起降安全与机场内外的地形和人工建筑物密切相关。因此，对沿着起落航线附近的一定空域，不应有影响飞机爬升、降落下滑和目视盘旋的障碍物，这个空域就是机场净空区。
（2）航站区使飞行区与机场其它部分的结合部分。航站区包括：旅客航站楼、停机坪、停车场等。航站楼的一侧与停机坪相连，另一侧与地面交通系统相连。航站楼是旅客、行李和货邮办理各种手续·进行必要的检查·为改变运输方式而提供建筑设施。航站楼设施布局的方式通常将旅客分为离港旅客·到港旅客·中转旅客和经停旅客；同时又将旅客划分为国际旅客和国内旅客。航站楼将空港分为空侧和路侧：空侧包括停机坪、飞行区等受机场当局严格控制的区域；路侧是公众能够自由出入·为航空运输提供服务的场所。
（3）进出机场的地面交通设施是连接到机场的道路、交通轨道或水运码头，它是客货出入机场的地面通道。
由于航空运输的延误·冲突等问题与机场飞行区的运行模式有很大的关系，本文针对机场飞行区的运行模式进行研究。
4. 飞行区运行分析的发展概况
由图1所示，机场飞行区分为机场地面和终端区两部分。目前，针对这两部分的研究，国内外大多数都采用相互独立的方法，分别对机场地面运行和终端区运行进行分析。
由于最初主要影响航空运输运行和容量的因素是跑道，因此针对地面运行的研究开始的相对较早。1948年，Bowen 和Pearcelf 最早提出假定飞机服从泊松分布的到达流模型；1959年，Blumstein 对跑道的运行与容量问题作了进一步的研究，分析了跑道的降落容量与空管间隔、下滑道长度以及飞机速度之间的关系； 1977年，K.Schmidt 将跑道当作服务台，用稳态排队论的方法对其进行分析； 1999年，南京航空航天大学的胡明华教授等人研究了单跑道机场容量评估；2002年，Amedeo R.Odoni详细介绍了机场容量的定义、影响因素、飞行间隔要求和单跑道容量评估模型；2003年蒋兵建立了到达和离场容量估计模型；2005年傅建军等人从理论上探讨了机场跑道、滑行道和停机位容量的分析与评估模型；2006年中国民航大学的徐肖豪教授等人研究了基于飞机性能的跑道运行仿真。
相对地面运行的研究而言，国内外对于终端区的研究开始的比较晚，所做的工作较少。1991年，Milan Janic 等人对终端区容量估计问题做了初步研究，对空域结构做了很大程度的抽象和简化，建立了终端区容量估计模型，但这种方法很难建立一个能够精确描述管制区域的数学模型； 2001年Saleh A.Mumayiz 提出了机场空域容量评估的仿真模型，在考虑各种限制的情况下对空域运行进行仿真，再对结果进行分析统计得到容量结果；1999年，胡明华教授和张志龙、杜骏等人对终端区容量模型进行了研究，讨论了影响终端区容量的诸因素，建立了航路诸单元的容量估计模型，并先后用网络流理论和仿真的方法分析了终端区运行容量。
1．2机场飞行区运行分析研究的意义
随着航空运输规模的增长，航空器的数量迅速增加，机场系统越来越复杂。机场的规模性和复杂性使机场规划设计与运营管理等难度增加，机场系统规划与设计人员无法确切把握机场系统的运行规律和交通特性，因而无法根据预测的航空需求情况做出合理的规划设计，也无法根据不断变化的条件及时调整运营方式和策略；机场系统内部构造错杂复杂，人流、物流、飞机流交错，相互制约影响，需要诊断机场运行瓶颈时，传统的方法难以胜任；新建或扩建机场，制定的设计方案是否符合设计要求，需要经过程序复杂而缜密的科学论证，动用的人、财、物资源巨大，而且论证过程和结果不直观，效果不理想。
因此，对机场飞行区进行分析建模，实现运行仿真，不仅能很好地解决传统方法面临的难题，而且具有更广阔的应用范围，能达到更高的精度，对提高机场设计和管理水平，优化空域结构和扇区设置，改进进离场飞行程序设计，以及降低成本和风险，都具有重要意义。
2.2飞行区运行的影响因素
影响机场飞行区运行的因素比较复杂，既包括机场终端区的影响因素，又包括机场地面的影响因素，同时还包括机场终端区与地面交通在运行上的耦合问题；既包括地面和空域资源的影响因素，又包括交通流向的影响因素，还包括管制间隔的影响因素；既包括静态影响因素，又包括动态影响因素。静态影响因素是指由机场飞行区本身的结构所决定的一些因素，主要有：
1、跑道的条数及布局；
2、脱离道的种类、位置和条数，指是否快速脱离道；
3、滑行道的布局、运行方式及限制，指是单一滑行道还是多重滑行道，是单向运行、双向运行或临时关闭，各滑行段是否对所有机型开放；
4、停机位/登机门的布局、数量和限制。停机位的个数、与滑行道的关系、可以停放的机型种类都将直接影响到飞行区的吞吐量；
5、危险区、限制区、禁区的分布情况；
6、军用空域的分布及其使用情况；
7、地形及障碍物分布情况；
8、通讯、导航、监视设施的种类和分布。
动态因素主要有：
1、飞行所需达到的安全目标等级；
2、管制服务方式（雷达管制、雷达监控下的程序管制、程序管制）；
3、有关最小间隔规定，包括落地飞机之间、起飞飞机之间、起飞/落地飞机之间的间隔规定；
4、管制员能力；
5、飞行规则（目视飞行规则、仪表飞行规则、目视/仪表飞行规则）；
6、飞机使用的进离场程序；
7、起降飞机的比例；
8、飞机机型比例，按起降的航空器的尾流分类，通常划分为重、中、轻；
9、跑道使用策略，对双平行跑道，有隔离运行，半混合运行，混合运行；
10、影响机场最低运行标准的气象条件，包括能见度、风向风速等。
2.1飞行区运行概况
1. 航空器在飞行区运行描述
在飞行区系统中，飞机由航路空域进入终端区，经过进场航线向机场进近，在跑道着陆，经出口滑行道、滑行道系统滑行至停机坪，下客卸货完毕，完成飞机的进港过程；而飞机的离港过程则是从在停机坪上客装货开始，通过滑行道系统滑行至起飞等待位置，对准跑道起飞，经终端区沿离场航线飞行进入航路空域。其中，等待起飞机坪设置在跑道端部或非常接近跑道端部的地方，用于试车或预热，供活塞式飞机在起飞前做最后的检查，以及供所有各类型的飞机起飞排序，
等待放行。而等候机位机坪是设置在机场上一个方便地点的一种相对较小的机坪，作为临时停放飞机之用。这是为了适应这种情况：当机场门位数目不足以满足一天中繁忙时段的需求时，由空中交通管制部门指挥飞机先到等候机位机坪，在那里等候直至有了可用的门位。如果容量与需求相称，一般就用不到等候机位机坪。
2.3飞行区运行的建模
通过分析飞行区系统的组成，以及飞机在该系统中的运行特点，本文采用网络模型来描述机场飞行区系统的组成，即用一系列节点和链路来表示飞行区系统，并在此基础上建立飞行区系统的排队网络模型。在节点检查飞机与其它飞机的相对位置，而链路则用来规定飞机在两节点间的飞行航迹。其中，飞行区网络又分成机场地面网络和终端区网络。在机场地面网络中，节点代表滑行道交叉点、跑道出口、停机位、起飞等待区、机位等候区、除冰区等，而链路则描述了滑行道、跑道、脱离道等；空域网络中的节点代表导航台、报告点、地理位置点、管制区边界点等，而链路对应着空中航段，这些航段的有序组合即表示了进离场航线。另外，终端区网络中有一类特殊节点耦合点，是飞机在终端区网络和地面网络运行的过渡点，通过在耦合点控制相关起降程序间的锁定/解锁关系，来实现空地间的耦合。
2.3.1飞机在机场地面网络中的运动
在机场地面网络中，飞机的基本运动包括：在两个节点间的滑行段上以滑行速度运动和在滑行段上节点附近等待。但是，表示起飞等待队列和机坪门位的节点处的等待发生在节点上。
飞机在机场地面网络的运动规则是：
1、飞机必须沿链路运动；
2、所有飞机应当与链路上的前机之间保持滑行间隔；
3、飞机要以滑行速度滑行。
对于离场航班，在机场地面网络的运动流程如图2-3所示：
飞机运动流程
图2-3离场航班在机场地面网络的运动
图中，中间所示为飞机运动流程，左侧所示为飞机运动过程中的一些事件处理模块。离场航班在进入仿真系统的这一时刻，按照选择的机位并经过机位冲突探测与解脱，出现在选定的机位，经过机位占用时间，便可以从机位推出；接着航班沿着选定的滑行路径开始滑行，到达每个节点就进行滑行冲突探测与解脱处理，直至到达起飞等待队列；经过跑道使用冲突探测与解脱处理后，进入并对准跑道准备起飞按照计算的起飞时间、距离和速度在跑道链路上进行起飞滑跑，并加入空地耦合点。航班在有序链路上的运动即构成了飞机在机坪门位系统、滑行道系统和跑道系统的运动。
对于进场航班，在机场地面网络的运动流程如图2-4所示：
图2-4进场航班在机场地面网络的运动
由于着陆优先，所以进场航班到达空地耦合点时，已不再需要考虑跑道使用冲突。进场航班按照着陆过程相关计算在跑道上进行着陆滑跑，同时根据跑道出口选择方法确定跑道出口。由跑道出口和选择的机位来确定滑行路径，并沿着确定的滑行路径不断执行冲突探测与解脱，最后经过机位使用冲突探测与解脱到达目的机位（如果没有可用机位，飞机需要先滑行到等候机位机坪上）。